創(chuàng )新驅動(dòng)電路設計 挑戰Micro LED顯示效率極限

平面顯示器市場(chǎng)目前主要由LCD液晶屏幕與OLED面板占據，主打各式終端產(chǎn)品，例如電視或電子廣告牌使用的大型顯示器、平板與智能手機的小型顯示器，以及AR／VR應用的微型顯示器。LCD屏幕利用無(wú)機材料的LED背光模塊來(lái)發(fā)光，光線(xiàn)在通過(guò)液晶分子矩陣后會(huì )產(chǎn)生彩色影像。相較之下，OLED屏幕能夠自行發(fā)光，透過(guò)有機化合物對通過(guò)電流的反應來(lái)發(fā)射光線(xiàn)。

最近，第三種顯示技術(shù)Micro LED加入戰局，預計能提供比傳統屏幕還要鮮艷的色彩，以及更高亮度與更低功耗。采用這項技術(shù)的首發(fā)產(chǎn)品近期以亮眼表現進(jìn)軍顯示器市場(chǎng)，像是顯示器大廠(chǎng)推出的Micro LED電視與電視墻，未來(lái)可望實(shí)現家庭、娛樂(lè )影視與商業(yè)應用的最佳視覺(jué)體驗。

Micro LED是微型LED，傳統LED尺寸>1mm，Micro LED則是<50μm。傳統LED采用獨立封裝，而Micro LED能以裸晶形式運作，這些大量晶粒需要透過(guò)整合來(lái)制成顯示器。每個(gè)Micro LED晶粒都包含紅色、綠色、藍色的子畫(huà)素，用來(lái)組成彩色顯示器。發(fā)光的顏色由LED的非有機材料（能隙）決定，舉例來(lái)說(shuō)，磷化鋁銦鎵（AlGaInP）能產(chǎn)生紅光，氮化銦鎵（InGaN）則產(chǎn)生綠光。

采用TFT驅動(dòng)Micro LED 鎖定大型模塊化顯示器商機
采用主動(dòng)式驅動(dòng)的Micro LED顯示器由背板上的晶體管數組控制，包含開(kāi)關(guān)電流與驅動(dòng)單一畫(huà)素。Micro LED背板材料分為兩種。第一種是硅材晶體管，采用傳統的CMOS制程。這些晶體管可以做到非常小，制成的背板晶體管具備極小間距（pitch），非常適合用于高分辨率的VR／AR應用或投影設備。不過(guò)硅基板的成本較高，尺寸有限，而且不透明。

第二種是薄膜晶體管（TFT），可用非晶硅、低溫多晶硅（LTPS）或是氧化銦鎵鋅（IGZO）制成。TFT能在比硅材還要大尺寸的基板上制造，有機會(huì )達到更低的單位面積成本。本文的重點(diǎn)就是采用TFT基板的Micro LED技術(shù)。

其中一種設想的應用是用于電視或電視墻的大型模塊化顯示器，應用場(chǎng)景包含家庭、電影院與廣告場(chǎng)域，抑或是大規?；蛐⌒蜁?huì )議。根據Micro LED模塊的大小與數量，顯示器的最終尺寸會(huì )落在100吋~200吋之間，甚至更大。在這類(lèi)應用中，Micro LED預計能超越一樣采用TFT基板的OLED面板，不僅更加省電，在相同電流下還能產(chǎn)生更高亮度。此外，Micro LED不含有機材料發(fā)光層，所以不需要封裝，更便于無(wú)縫轉移。相較之下，OLED必須對個(gè)別模塊進(jìn)行封裝。

不同于OLED，用于大型顯示器的Micro LED不能在同一個(gè)單片基板上制造。因此，中大型顯示器的Micro LED制程必須采用取放（pick and place）等技術(shù)。這項取放技術(shù)會(huì )使用三塊磊晶基板來(lái)制造紅色、藍色與綠色晶粒，然后進(jìn)行切割，最后透過(guò)高速取放系統轉移到TFT背板上。

Micro LED的TFT背板設計
高性能Micro LED顯示器帶來(lái)了全新的背板設計挑戰。目前正在開(kāi)發(fā)數種不同的電子設計方法，一種是主動(dòng)式矩陣OLED（AMOLED）設計，另一種是被動(dòng)式矩陣PCB驅動(dòng)設計。

兩者在灰階、閃爍、畫(huà)素間距、散熱或功耗方面的表現各有優(yōu)缺。imec憑借著(zhù)在TFT電路設計領(lǐng)域的多年經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)了Micro LED驅動(dòng)電路的替代方案，引領(lǐng)新一波的技術(shù)升級。

接下來(lái)將會(huì )介紹我們與Barco共同開(kāi)發(fā)的應用案例，在Micro LED模塊化顯示器上采用全新的TFT電路設計，整合目前不同驅動(dòng)技術(shù)的強項。

Micro LED驅動(dòng)電路設計：創(chuàng )新6T2C架構
在設計顯示器的驅動(dòng)電路時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須做出一些選擇，例如：選出最佳的矩陣結構（主動(dòng)式或被動(dòng)式矩陣）、灰階調變方法（使用模擬訊號或數字訊號）、LED程控（電壓或電流控制）。imec研究團隊評估了多項先進(jìn)驅動(dòng)技術(shù)，最終開(kāi)發(fā)了創(chuàng )新的混合式驅動(dòng)技術(shù)，把各技術(shù)的最大優(yōu)勢都整合在采用6T2C架構的驅動(dòng)電路上，藉此解決micro LED顯示器的多項新興挑戰。

主動(dòng)式vs被動(dòng)式矩陣架構
主動(dòng)式（AM）與被動(dòng)式矩陣（PM）驅動(dòng)的顯示器都是透過(guò)水平向與垂直向的線(xiàn)路來(lái)運作，水平向負責進(jìn)行一次一列的掃描，垂直向則是傳遞顯示訊號到每行對應的晶體管，藉此導通那一列的畫(huà)素。這些電路能以高速率依序驅動(dòng)畫(huà)素，快到連肉眼都無(wú)法分辨是逐線(xiàn)掃描，而視為平面影像。

在被動(dòng)式矩陣的驅動(dòng)模式下，像是用于目前的Micro LED電視墻，非選定線(xiàn)路上的畫(huà)素會(huì )處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在被選時(shí)會(huì )短暫開(kāi)啟。換句話(huà)說(shuō)，這時(shí)只有一條畫(huà)素會(huì )發(fā)光。在主動(dòng)式矩陣，例如AMOLED的電路設計中，所有畫(huà)素都有記憶性，可以在屏幕刷新的切換周期中維持驅動(dòng)狀態(tài)，直到下次訊號更新，所以在其他線(xiàn)路進(jìn)行掃描時(shí)，非選定畫(huà)素也會(huì )發(fā)光。如此一來(lái)就能降低對控制畫(huà)素亮度的要求，進(jìn)而減少所需電流。這就是主動(dòng)式與被動(dòng)式驅動(dòng)的基本差異。



 
圖一 : 被動(dòng)式（左圖）與主動(dòng)式（右圖）矩陣的驅動(dòng)電路圖。

結果發(fā)現，主動(dòng)式矩陣更有利于降低功耗和成本，并提升影像質(zhì)量。被動(dòng)式矩陣的畫(huà)素只能短暫驅動(dòng)，所以需要更大的瞬間亮度，LED驅動(dòng)電流也必須維持整體亮度的一致性，這就加劇了功耗與散熱問(wèn)題。對于包含上百萬(wàn)顆Micro LED的大型模塊化顯示器，比起被動(dòng)式矩陣，主動(dòng)式矩陣驅動(dòng)才是首選。

灰階調變：數字vs模擬驅動(dòng)
單顆LED的灰階（grey level）或說(shuō)是亮度由LED驅動(dòng)電流的大小決定。每顆LED構成一個(gè)畫(huà)素，每個(gè)畫(huà)素的灰階最終會(huì )決定LED顯示器的整體亮度。

AMOLED顯示器所用的平板式設計通常采用模擬式驅動(dòng)，也就是說(shuō)，對個(gè)別畫(huà)素施加的模擬訊號（電流或電壓）以及OLED的驅動(dòng)電流會(huì )決定最終的灰階顯示。在這種驅動(dòng)模式下，高電壓或大電流會(huì )增加發(fā)光程度，進(jìn)而提高畫(huà)素亮度。然而，對于非有機材料的（Micro）LED而言，這就有個(gè)缺點(diǎn)：為了調變顯示器的灰階而改變LED驅動(dòng)電流，同時(shí)會(huì )影響到發(fā)光的波長(cháng)，導致色偏（color shift）現象。

這也是數字驅動(dòng)模式會(huì )更適合Micro LED顯示器的原因。數字驅動(dòng)模式運用脈沖寬度調變（PWM）來(lái)控制Micro LED的驅動(dòng)電流。藉此，所有LED都能維持相同電流，避免色偏現象，但還是能調整LED的平均導通時(shí)間（或稱(chēng)占空比），如此一來(lái)，就能控制顯示器的平均發(fā)光程度，也就是畫(huà)素的灰階。

12位圖編碼表
為了在主動(dòng)式矩陣架構的背板進(jìn)行數字驅動(dòng)，可以采用不同的影像編碼技術(shù)來(lái)實(shí)現脈沖寬度調變（PWM）。編碼表（coding table）會(huì )記錄Micro LED開(kāi)關(guān)的確切時(shí)間點(diǎn)。imec研究團隊提出了獨特的12位圖編碼表，以縮短黑屏時(shí)間并優(yōu)化視覺(jué)呈現，最終把屏幕閃爍的機率降到最低。


 
圖二 : 運用imec提出的12位圖編碼表，所有灰階在傅立葉頻譜上的第一個(gè)諧波振福都下降，減緩了顯示器閃爍的問(wèn)題。

創(chuàng )新的6T2C驅動(dòng)電路
再次強調，在設計顯示器驅動(dòng)電路時(shí)，必須做出一些取舍。例如，設計人員可以選用傳統的2T1C架構：一顆晶體管選取目標畫(huà)素，另一顆晶體管負責控制數據線(xiàn)的電壓，提供LED驅動(dòng)電流。然而，晶體管特性一旦出現任何變化，都會(huì )影響驅動(dòng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生色偏現象。因此，電壓驅動(dòng)的電流控制并不理想。

為此，imec研究團隊開(kāi)發(fā)了一種混合式驅動(dòng)技術(shù)，利用兩顆晶體管組成的電流鏡（current mirror）來(lái)精準控制Micro LED的驅動(dòng)電流，維持固定。PWM訊號傳輸則透過(guò)另外兩顆開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)施加電壓。這些開(kāi)關(guān)晶體管可以根據影像編碼表來(lái)控制電流鏡的開(kāi)關(guān)。最后兩顆晶體管則負責在輸入電流更新訊號時(shí)選取所需畫(huà)素。


 
圖三 : 采用6T2C驅動(dòng)電路的Micro LED電路圖。

運用6T2C結構，imec團隊成功導入混合式驅動(dòng)技術(shù)，達到Micro LED顯示器的最佳效能。同時(shí)，他們也針對6T2C驅動(dòng)電路做出一些調整來(lái)拓展應用。例如，其中一項設計變動(dòng)是藉由共享電流鏡來(lái)縮小驅動(dòng)電路的整體面積。此外，imec也提出一種全局快門(mén)設計，用來(lái)改善模塊化顯示器對多個(gè)子模塊進(jìn)行同步更新的性能。

從原型開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)
創(chuàng )新的驅動(dòng)電路是高性能Micro LED顯示器的關(guān)鍵。imec能協(xié)助企業(yè)與學(xué)術(shù)研究團隊探索基于IGZO、LPTS或非晶硅材的TFT驅動(dòng)電路在顯示器市場(chǎng)的應用潛能。

imec也攜手業(yè)界的晶圓代工伙伴，提供TFT驅動(dòng)電路在顯示器與非顯示器應用方面的生產(chǎn)資源。這套合作模式也延伸到多項與CMOS硅制程相關(guān)的研究計劃，且進(jìn)行多年，為學(xué)研單位與顯示器業(yè)者提供一條技術(shù)商用的道路。

此外，imec還能借助比利時(shí)根特大學(xué)CMST研究實(shí)驗室的專(zhuān)業(yè)與服務(wù)，將Micro LED置于TFT背板上。CMST歷經(jīng)多年研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一套取放方法，能快速準確地轉移Micro LED晶粒。

該研究團隊為了展示其量產(chǎn)潛能，已經(jīng)完成載于LPTS背板的Micro LED原型芯片，采用的驅動(dòng)電路就是先前介紹的創(chuàng )新設計。LTPS可以提供更高的驅動(dòng)電流，因此比起IGZO，更適合用來(lái)制造TFT顯示器背板。舉例來(lái)說(shuō)，特性分析結果顯示，LTPS面板具備良好的訊號保存能力，這就代表，這些訊號在畫(huà)素導通后能在電流鏡與電容器上保存多長(cháng)時(shí)間。


 
圖四 : 顯示訊號保存時(shí)間的示波器分析結果。

結語(yǔ)
imec提出了一款利用TFT背板來(lái)驅動(dòng)Micro LED的混合式方法，整合了LED電視墻與AMOLED設計的最大優(yōu)勢，包含驅動(dòng)電流的程控、PWM模式的主動(dòng)式矩陣設計。另外也開(kāi)發(fā)了創(chuàng )新的6T2C電路架構，讓這套混合式設計能驅動(dòng)Micro LED顯示器達到最佳的影像質(zhì)量。這款基于LTPS材料的TFT驅動(dòng)電路設計完稿（tapeout）也擘畫(huà)了imec與芯片制造伙伴的合作之路，以實(shí)現量產(chǎn)Micro LED顯示器的目標。

（本文由imec提供；作者Kris Myny為imec主任研究員／編譯：吳雅婷）